海上无线IP网络数据传输系统应用研究

张亮 文捷

摘 要：目前海上通信系统主要依靠VHF通信系统、SSB通信系统和海事卫星通信系统来完成对语音以及数据的传输，但是各个系统在应用过程中存在一定的局限性和问题，本课题通过利用现有岸基设施开展无线IP网络数据传输系统研究，并搭建了一套测试系统进行理论验证。

关键词：海上通信；数据传输；无线IP；岸基基站

中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）08-0043-03

目前海上通信系统主要依靠VHF通信系统、SSB通信系统和海事卫星通信系统来完成对语音以及数据的传输，但随着船舶数量的增多以及海上交通量的繁忙，致使海上的频带资源紧张，并且随着人们对海上移动通信业务的需求越来越高，这些系统都明显地暴露出自己局限性和问题。

中国沿海幅员辽阔，岛屿众多、地形复杂，航线错综复杂，出海口众多，船舶流量大，海事系统在沿海相对制高点有比较丰富的岸基资源，并在岸基的综合利用方面具备一定的优势。如VTS雷达站塔，高度通常在45米及以上；VHF基站通信铁塔，高度通常在65米及以上；具备用电及安装位置等条件。

为了加强海事现场执法监管，实现海事指挥中心与现场巡航船舶之间的信息交换，延伸海事监管的范围，针对船舶的移动特性，利用现有岸基设施开展无线IP网络数据传输系统研究，为现场执法提供支持是一个可行的研究方向。

1 目前海上数据传输现状

现阶段海上移动通信主要依靠海事卫星通信、短波通信及VHF通信。随着2008年海事卫星第四代星完成了全球覆盖调整，目前己经实现宽带全球覆盖。但是海事卫星通信的使用费用比较高，一台海事卫星电话的价格大概是3万到6万元一部，除此之外，使用者还需支付一笔不菲的流量费用。尽管随着技术的不断进步卫星通信系统的价格会进一步下降，但是可以说在未来很长的一段时间内，数量众多的中小型船舶广泛使用海事卫星用于日常航行的可能性很小。

短波通信是利用电离层实现中远距离的通信方式，由于天波传输距离比较远，所以一直在海上通信中占据着重要地位。目前广泛研究和应用的短波数字系统及设备一般是采用信道带宽在300～3000Hz话带范围的“窄带”系统。在变衰落信道的影响下，即便使用自适应技术改善短波数据传输性能，在实际中的数据传输速率一般也只能达到2.4kbps，最高达4.8bps。

VHF通信系统主要应用于近海以及内河航运中，是船舶遇险和安全通信体系的重要组成之一，是水上搜救、通航给管理不可缺少的通信手段，也是国际上专用于沿海近岸水域的船岸通信手段。现有的VHF通信系统主要提供话音通信业务（语音信号采用模拟调制，占用带宽较大）或低速数据业务，随着航运事业的发展，大数据量传输业务需求不断增大，VHF信道的容量日趋拥挤，信道间隔越来越小。

因此，随着信息技术的不断发展，人们对海上通信的需求以及质量的要求越来越高，为了使船舶与岸台之间的通信能够适应现代化港口和航运企业的需要，克服通信容量小、语音质量差、安全性低以及费用昂贵等缺点，必然要求建立一种新的海上移动通信系统，来提高通信容量、语音质量以及安全性并能够有效的降低通信成本。

2 海上无线IP网络数据传输系统的构建

针对海上数据传输现状，通过引入一套基于IP的网络数据传输系统，该系统由基站设备、船台设备和管理中心三部分组成；基站设备可在高湿度、高盐度、大风、雨雾、颠簸、宽温变化等恶劣环境条件下做到全天候、免维护、无人值守的连续可靠工作。管理中心可以对基站设备进行状态监控、远端软件加载、远端设备升级，从而实现对大量基站设备的集中监控、管理。整个系统采用军用化设计，执行最严苛的质量标准体系，满足军用要求，具有很高的可靠性和环境适应性。

2.1 系统构建方案

经过多年建设，海事系统已有十分健全的硬件设施及有线通信网络，在沿海相对制高点有比较有比较丰富的岸基资源，如VTS雷达站塔，高度通常在45米及以上；VHF基站通信铁塔，高度通常在65米及以上，且都具备用电及安装位置等条件。这些现有设施为船岸通信网络的建设提供了良好的基础条件。

海上无线IP网络数据传输测试系统依托现有海事有线传输系统和沿岸站塔资源，在沿岸站塔架设基站设备，以覆盖沿岸20海里范围内执法海域。测试系统由管理中心、三个岸站、一个船站（机动站）组成。测试系统组成框图如图1所示。

2.1.1 岸基基站设备

岸基基站设备具有很好的环境适应性及很高的可靠性，可在高湿度、高盐度、大风、雨雾、宽温变化等恶劣环境条件下做到全天候、免维护、无人值守的连续可靠工作。设备工作频段为566～592MHz，并且可根据需要，对频段进行专业化定制；该系统主要有如下功能优势：

（1）具有良好的传输性能，通信覆盖能力强，可实现20海里以上的通信覆盖，并具备一定的超视距能力；

（2）采用高阶调制、自适应调制编码技术，以5MHz的带宽，可依据信道条件实现2～10Mbps自适应速率传输，既保证传输质量，又最大限度利用频谱资源；

（3）具有良好的抗多径能力，采用OFDM、交叉极化分集等技术措施，可以实现在各种复杂地形条件下的可靠通信，保证海上及近海航道等多径条件下的可靠通信；

（4）系统采用IP架构，可接入现有地面有线网络，通过原地面有线网络提供安全保障，包括防火墙、MAC 地址捆绑、访问授权等一系列措施。此外，系统还预留有加密端口，可通过专用加密算法对对数据流在调制和解调数据流时进行信源加密，且设备密钥可独立设置；

（5）采用TDD双工体制，可对上下行时隙进行灵活配置，实现可控的非对称业务传输，与FDD双工体制相比，具有频谱资源规划简单、上下行业务资源分配灵活的特点；

（6）采用OFDMA多址方式，单基站可支持200个注册用户，并支持60个并发用户，与TDMA、FDMA、CDMA双工方式相比，具有频谱利用率高、资源分配灵活，抗多径能力强、克服远近效应的特点；

（7）支持管理中心，可通过中心机房对基站及终端设备进行远程管理维护；可通过远程加载进行对系统进行升级；

（8）提供完善的配置管理和系统维护，并提供告警、在线诊断等功能；

（9）满足IP65标准，全密封设计，具有良好的防水、防潮、防盐雾等环境适应性；

（10）全IP架构，可方便的接入各种用户专网；

（11）采用全自主知识产权军事通信技术，满足军民两用要求，技术安全性好，设备可靠性高，具有良好的环境适应性和电磁兼容性；

（12）具有完备的集群调度功能，可实现通呼、组呼、单呼。

2.1.2 船站终端设备

船站终端设备具有多种设备形态，如手持终端、2W功率站型、10W功率站型等。手持终端具备语音通话和视频摄录功能，灵活方便，可连接扫码器等数据采集设备，易于携带使用，特别适合在沿岸站附近码头等巡视执法用。但其设备通信能力较弱，在距基站较远时（10海里），仅能保证话音通信。2W终端价格低廉，可满足20海里范围内的语音调度功能。10W功率站型，其可支持高清摄像头，多路IP话机，并可进行远距离数据传输，适用于海上执法。

2.1.3 管理中心

管理中心布设的设备包括汇聚交换机、管理服务器、业务服务器、存储单元及切换路由器。管理服务器可进行远近端软件加载、基站对象属性配置管理、设备管理和系统状态监控等操作，主要负责以下各个基站设备的网络管理和维护：近端维护：提供人机接口（MMI，Man Machine Interface），可利用近端维护台对基站各对象进行维护、监控和管理；远端维护：在系统内组成操作维护网，用户在权限许可下，可利用远端操作维护台，通过网内任一工作站对系统内的基站进行远端操作维护。提供EMS管理工具；系统状态监控：提供系统运行指标指示和资源状态指示；提供基站内各模块温度的查询功能；安全管理：提供用户登录鉴权、命令权限限制、危险操作提示、用户群管理等安全管理功能；站点监控：为机房监控设备提供数据采集通道和传输通道，方便基站无人值守和集中监控；测试：提供功能自测、环回测试；升级：自动检查系统是否符合升级条件，可通过远程加载进行系统升级，升级过程可逆，升级不成功可快速恢复原有系统。

业务服务器实现对船站终端音视频业务的请求、接受、分发，业务服务器仅接受本域管理服务器的管辖，在管理服务器的控制下为用户或其他域提供服务。存储单元可将船站上传的视频数据，以及话音通话数据进行存储，并对系统内全部的存储介质进行管理，包括前端的DVR本地硬盘、NAS，IP-SAN；对存储管理模块进行管理，为要录像的视频通道分配空间。切换路由器为基站间切换、及不同基站间业务通信提供路由。

2.2 系统测试验证

2.2.1 测试地点

整个测试系统由一个管理中心、三个岸站、一个船站（机动站）组成。三个岸站分别架设与游山、大榭、峙头雷达站。测试区域如图2所示。三个岸站站点位置、架高及船站天线架设条件如表1所示。

2.2.2 测试结果

通过搭建测试系统，开展海上无限IP网络数据传输系统的系统测试，结果如下：

（1）极限通信能力测试。传输距离15km以上时，双向吞吐量超过3Mbps，传输距离30km时，双向吞吐量超过2Mbps；在本次测试条件下（岸站架高48米，船站架高5米，视距距离32.72公里）极限通信距离达到46.8公里，此时仍具备语音通信能力，在距离为41.6公里时，具备图像通信能力；整个过程中只要能够接入，32字节小包丢包率均不超过5%，在35km以下时，2000字节大包丢包率也不超过5%。

（2）基站间切换功能测试。船站在基站间能够自由切换；基站间切换时间为70ms；切换时图像、语音、数据业务均为无感，无损伤；测试过程中，从港口出发到极限距离，实现了无盲区全程覆盖通信。测试过程中图像清晰流畅，语音清晰，数据传输正常。

3 总结

在通信技术飞速发展的今天，人们对海上通信的需求以及质量要求越来越高，在选择通信设备和通信方式时，除了要考虑通信设备费用和通信资源外，对于其通信效果，有了更高的要求。为了使船舶与岸台之间的通信能够适应现代化港口和航运企业的需要，根据海事系统的通信系统建设现状，构建了一套基于IP的海上移动通信测试系统，通过测试验证表明，该系统能够实现远距离视频、语音、数据业务传输。

参考文献：

[1] 华夏.对用宽带无线网取代VHF实现海上通信的研究.青岛远洋船员学院学报，2010，VOL.31，No.2

[2] 陈晓红.基于Ad Hoc网络的海上VHF通信系统研究.大连海事大学，硕士论文，2008

[3] 郎倩倩.?船载无线网络终端信息服务系统.大连海事大学，硕士论文，2010

[4] 谭志荣.国际海事卫星通信及应用前景.中国水运，2004（3）：43-44

[5] 吕振肃、刘忠学、王连胜. 现代通信与信息技术在海事通信中的应用展望.电讯技术，2011，51（3）：126-130